第九章 胶体分散系统yf

第九章

胶体分散系统§1．溶胶的分类和基本特性

§2．溶胶的制备和净化§3．溶胶的动力学性质§4．溶胶的光学性质§5．溶胶的电学性质§6．溶胶的稳定性和聚沉作用§7．乳状液、泡沫和气溶胶

基本内容前言格雷厄姆：物质扩散：易扩散难扩散（蔗糖、NaCl、MgSO4）（蛋白质）分类：晶体胶状物质（胶体）胶体：是物质的一类特殊的聚集形态前言分散系统：一种或多种物质分散在另一种物质中形成的系统。分散相：被分散的物质（不连续）分散介质：容纳分散相的连续介质分散系(＜1nm)分子离子分散系（真溶液）(1~100nm)胶体大分子溶液（亲液胶体）溶胶（憎液胶体）(＞100nm)粗分散系第一节溶胶的分类和基本特征内容一.溶胶分类二.溶胶的基本特性一.溶胶分类分散相分散介质气相液相固相气溶胶雾烟、尘液溶胶泡沫牛奶油漆、泥浆固溶胶泡沫玻璃珍珠有色玻璃二.溶胶的基本特性溶胶的三大基本特性：1.多相性2.高分散性3.聚结不稳定性（热力学不稳定性）（制备溶胶需加稳定剂，如：电解质）分散相（胶粒）分散介质分类性质分子、离子分散系＜1nm真溶液扩散快不沉降通过半透膜、滤纸均相胶体分散系1~100nm高分子溶液扩散慢不易沉降不通过半透膜、通过滤纸均相溶胶扩散慢不易沉降不通过半透膜、通过滤纸多相粗粒分散系＞100nm乳状液悬浊液扩散极慢易沉降不通过半透膜、滤纸多相二.溶胶的基本特性第二节溶胶的制备和净化内容一.溶胶的制备二.溶胶净化三.均匀分散胶体四.纳米粒子和纳米技术一.溶胶的制备1．分散法：将大颗粒进一步分散2．凝聚法：小分子溶质凝聚胶体系统1~100nm分子分散系统

<1nm由小变大凝聚法由大变小分散法粗分散系统

>100nm超声波法研磨法电弧法胶溶法物理凝聚法化学凝聚法改变溶剂法

制备：一.溶胶的制备①研磨法：1．分散法盘式胶体磨用机械粉碎的方法将固体磨细。

一.溶胶的制备②气流粉碎法：高速气流粉碎物料粉碎室挡板管收集管分离区物料+气流喷嘴一.溶胶的制备③超声波分散法（多用来制备乳状液）一.溶胶的制备④胶溶法：加入稳定剂使暂时聚集起来的分散相重新分散。如钠的苯溶胶制备

接真空泵液态空气钠苯苯接受管点击此处演示①

物理凝聚法一.溶胶的制备2．凝聚法②

化学凝聚法如：水解反应制备Fe(OH)3溶胶

FeCl3+3H2O

Fe(OH)3

+3HCl一.溶胶的制备凡能有沉淀析出的化学反应都可能用来制备相应溶胶使溶解度骤变，如松香在乙醇中：溶水点击此处演示水中：不溶溶胶③

改变溶剂法二.溶胶净化1．渗析法普通渗析电渗析水溶胶水+–半透膜水二.溶胶净化2．超过滤法：使用半透膜在加压的条件下将介质和胶粒分开减压过滤真空泵半透膜电超过率：在半透膜两侧安放电极，可以加速过滤三．均匀分散胶体应用：

(1)验证基本理论

(2)理想的标准材料

(3)新材料

(4)催化剂性能的改进(5)制造特种陶瓷均分散胶体：控制条件制备粒子形状相同、尺寸相差不大的胶体条件：（1）短时间内形成大量晶核（2）确保晶核同时长大第三节溶胶的动力性质内容一.Brown运动二.扩散和渗透三.重力沉降与沉降平衡一.Brown运动Brown运动：1．定性解释介质分子、离子热运动撞击悬浮溶胶粒子的结果。

溶胶粒子在介质中无规则的运动一.Brown运动x在时间t内观察粒子布朗运动平均位移：2．定量计算Einstein-Brown运动公式：影响布朗运动的因素：（1）温度T（2）粒子半径r（3）溶液的粘度η一.Brown运动与粒径r成反比；

（1）平均位移很容易在显微镜下观察，由此可求得溶胶粒子半径②溶胶：③真溶液：

无法在显微镜下观察到其运动（2）可以从已知半径r的离子的平均位移计算L。①粗粒：小到观测不到，粒子几乎静止不动。r很大，二.扩散和渗透1.扩散：溶胶粒子在介质中从高浓度区向低浓度区迁移的现象。原因：浓度差动力：布朗运动——斐克第一定律dn/dt:单位时间内粒子的扩散量（mol/s,kg/s）dc/dx:单位距离上粒子浓度的增加量D的物理意义：单位浓度梯度、单位时间内通过单位截面积的粒子量。二.扩散和渗透扩散速度扩散系数面积浓度梯度“-”：扩散的方向（dn/dt）和浓度梯度（dc/dx

）相反二.扩散和渗透扩散系数与扩散平均距离的关系：代入布朗运动位移公式：影响扩散的因素：T，r，η应用：（1）计算胶粒r

（2）计算溶胶粒子的摩尔质量三.重力沉降与沉降平衡1.重力沉降F沉

=F重

–F浮F沉

F阻F阻=6

r

v——托克斯定律

重力沉降速度：应用：测v求粒径r

选择不同的分散介质，控制沉降的速度测v求

，落球式粘度计粗分散体系的粒子：颗粒比较大，扩散可以忽略

当粒子匀速沉降：F沉=F阻三.重力沉降与沉降平衡2.重力沉降平衡扩散沉降扩散作用和沉降作用相等时，达到沉降平衡，形成一定的浓度梯度。h1c1h2c2——重力场中高度分布公式讨论：（1）浓度梯度的形成：溶胶粒子的浓度随高度指数性下；（2）粒子质量的影响：r愈大，ρ越大，溶胶粒子浓度随高度下降越多；（3）测量浓度随高度的变化，求得溶胶粒子的摩尔质量(4/3πr3ρL)三.重力沉降与沉降平衡总结：粗分散系：沉降作用＞扩散作用动力学不稳定；溶胶：沉降作用≈扩散作用形成浓度平衡分布动力学稳定。3.离心场中的沉降与沉降平衡应用：测定胶团或大分子物质的摩尔质量第四节溶胶的光学性质内容一.溶胶的光散射现象二.光散射定律

瑞利公式三.溶胶的颜色四.光学方法测定粒子大小一．溶胶的光散射现象Tyndall效应：一束光通过溶胶时，在侧面可以观察到一束光柱Tyndall效应是溶胶特有的现象：光源光源Fe(OH)3溶胶一．溶胶的光散射现象光通过分散系统时基本现象：真溶液粗分散溶胶透明有色(补色)混浊乳光透射吸收反射散射吸收：取决于化学组成透射：粒径<<波长反射：粒径

>>

波长散射：粒径≤波长 瑞利散射公式：

I：散射光强度（浊度）A：入射光的振幅λ：入射光的波长ν：单位体积内粒子数

V：单个粒子的体积

n1，n2：分散相和分散介质的体系（适用：粒子半径＜1/20λ

）二．光散射定律

Reyleigh公式二．光散射定律

Reyleigh公式（4） I

测量散射光强计算溶胶的浓度。（3）I

V2（r），区分溶胶、粗分散系、真溶液；测量散射光强，计算粒子的半径；（2）I与折射率（n1，n2）有关，（n12-n22）越大，散射越明显，区分溶胶和大分子溶液；（1） I

λ-4，波长越短越容易发生散射；

三.溶胶的颜色光的吸收光的散射若吸收很弱，主要表现为散射：如AgCl，BaSO4溶胶有方向性若吸收较强，主要表现为其补色：如Au溶胶（红），As2S3溶胶（黄）无方向性粒子大小可改变吸收~散射相对比如Au溶胶 高度分散时，吸收为主：红 放置后粒子增大，散射为主：兰溶胶显色二个原因第五节溶胶的电学性质内容一.电动现象二.溶胶粒子表面电荷的来源三.双电层理论四.胶团结构五.电泳的测定一．电动现象1.电泳：在外电场的作用下，带电的粒子在分散介质中作定向移动的现象。Fe(OH)3溶胶NaCl溶液+-+-电泳现象：溶胶中分散相粒子带电一．电动现象2.电渗：在外电场的作用下，分散介质做定向移动的现象。

-+多孔塞电渗现象：间接证实溶胶带电一．电动现象3.流动电势：在外加压力下，迫使分散介质流经毛细管或多孔塞，在多孔塞的两端产生的电势差。

——电渗的逆过程流动电势：间接证实溶胶带电应用：生产安全p------+++一．电动现象4.沉降电势：带电的分散相粒子在沉降时,在沉降方向的两端产生的电势。

——电泳的逆现象++++++++++++++++++++++沉降电势：溶胶中分散相粒子带电一．电动现象1.电泳：溶胶粒子在电场中定向移动2.电渗：分散介质在电场中定向移动3.流动电势：外力使介质移动，产生电场4.沉降电势：外力使溶胶子粒移动，产生电场电动现象说明：溶胶粒子与介质分别带电，在电场中发生移动，或移动时产生电场。总结：二.溶胶粒子带电的原因1.吸附带电：溶胶粒子通过吸附介质中的离子而带电②非选择性吸附：易吸附水化能力弱的离子①选择性吸附：优先吸附与其组成相同的离子——

法金斯规则例如：制备氢氧化铁溶胶：

FeCl3+3H2O(沸)→Fe(OH)3+3HCl溶液中部分Fe(OH)3与HCl作用：

Fe(OH)3+HCl→FeOCl+2H2O

FeOCl→FeO++Cl-二.溶胶粒子带电的原因2.电离带电：溶胶粒子本身含有可电离的基团，通过自身电离带电。硅胶H2SiO3

HSiO3–+H+

HSiO2++OH–3.同晶置换：4.摩擦带电：非水介质中，溶胶粒子与介质摩擦带电粘土A13+或Si4+部分被Mg2+或Ca2+取代带负电碱性条件

酸性条件

A13+Mg2+三.溶胶表面双电层理论1.亥姆霍兹平板双电层模型++++++++----------

（1）溶胶粒子表面带有的电荷，与介质中的反离子，通过静电引力，分别平行而整齐的排列在相界面上，形成双电层结构。（2）双电层的厚度为一个离子大小溶胶粒子表面和溶液本体之间的电势差为

0，在双电层内部直线下降为零（3）在电场作用下，双电层断裂，分别发生定向移动缺点：模型过于简单，不符合实际三.溶胶表面双电层理论a.反离子(符合Boltzman分布)吸附层和扩散层之间的分界面。电场作用下，吸附层和扩散层断裂溶胶粒子和吸附层向一极运动，扩散层向另一极运动。静电吸引扩散作用b.滑动面2.扩散双电层模型反离子定位离子滑动面

吸附层（紧密层）扩散层吸附层扩散层静电吸引扩散作用三.溶胶表面双电层理论c.电动电势

：表面电势

0体现了溶胶粒子的有效电荷，影响溶胶稳定性的重要因素缺点：（1）没用提出电动电势的含义；（2）电动电势受电解质浓度影响三.溶胶表面双电层理论3.Stern吸附扩散双电层模型粒子的表面---------------+-+-+-+吸附层扩散层Stern面滑动面Stern层三.溶胶表面双电层理论粒子表面Stern层滑动面溶液本体

0

0

＞

＞

直线下降（类似平板双电层）指数性下降（符合Boltzmann分布）离子的溶剂化作用---------------+-+-+-+

0

0

扩散层吸附层---------------+-+-+-+---------------+

0

0

0

扩散层吸附层扩散层吸附层吸附层

0

=

-----------

0

=

02+-------2-2-2-2-2-2-2+2+2+

0

=

----------2+2+2+-2+-----三.溶胶表面双电层理论总结：（1）提出了

电势的含义：滑动面到溶液本体的电势差（稀溶液中

≈

；

浓溶液

＞

）（2）电解质对双电层电势的影响a）电解质加入，

，

下降，b）反号大离子，

，

与

0

反号c）同号大离子，

，

＞

0

胶团结构式：[(胶核)m

n定位离子

（n–x）内反离子]x+

x外反离子四、胶团结构定位离子Stern面滑动面胶核吸附层扩散层胶粒胶团胶团表面例1Fe(OH)3溶胶

结构式：例2AgI

溶胶制备1：AgNO3+KI(过量)

AgI+KNO3

结构式：[(AgI)m

制备2：AgNO3(过量)+KI

AgI+KNO3

结构式：[(AgI)m

制备：FeCl3+H2O

Fe(OH)3+H++Cl–Fe(OH)3(部分)+H+

FeO++H2O[(Fe(OH)3)m

nFeO+

(n-x)Cl–]x+

xCl–K++I–

nI–

(n-x)K+]x-

xK+（负溶胶）Ag++NO3–

nAg+

(n-x)NO3–]x+

xNO3–

（正溶胶)四、胶团结构五.电泳的测定2.电泳实验方法界面移动电泳：观测溶胶界面在电场中的移动显微电泳：显微镜下直接对粒子的运动进行测定

+–dPt电极溶胶辅助液1.电泳速度求算电动电势K6(球形粒子)4(棒形粒子)第六节溶胶的稳定性和聚沉作用内容一、胶体稳定性二、溶胶的聚沉一、胶体稳定性稳定溶胶的因素：动力稳定性胶粒半径（r）小，扩散能力强2.胶粒带电三大基本特性：高分散性，多相性，聚集不稳定性++++++-+++--------------++++++-+++--------------一、胶体稳定性++++++-+++--------------一、胶体稳定性3.溶剂化的稳定作用水化膜斥力H2OH2OH2OH2OH2OH2OH2OH2OH2OH2OH2OH2OH2O聚沉：通过改变条件，破坏溶胶的稳定性，使胶粒间相互聚集，最后沉淀下来。三种溶胶聚沉.(左)Al(OH)3;(中)Fe(OH)3;(右)Cu(OH)2二、溶胶的聚沉二、溶胶的聚沉电解质的影响

0

---------------+a.胶粒带电量（

）下降b.水化膜厚度减小聚沉值：是一定量的溶胶在一定时间内发生聚沉所需要的电解质的最低浓度（临界聚沉浓度）二、溶胶的聚沉经验规则：(1)聚沉能力主要决定于反离子的价数(2)价数相同的反离子聚沉能力也有所不同①对于负溶胶，一价正电